Étude des interactions océan-atmosphère sur le Gulf Stream : apport de la haute résolution sur la représentation des mécanismes physiques et des impacts climatiques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Air-sea interactions over the Gulf Stream region : benefits of higher-resolution in the representation of the physical mechanisms and climate impacts

Étude des interactions océan-atmosphère sur le Gulf Stream : apport de la haute résolution sur la représentation des mécanismes physiques et des impacts climatiques

Résumé

This thesis aims at understanding the role of sea surface temperature (SST) fronts on air-sea interactions in the Gulf Stream region. We study the local response of the atmosphere to the SST mesoscale variability, not only within the marine atmospheric boundary layer (MABL), but also in the free troposphere. We also evaluate the impact of SST fronts beyond the Gulf Stream region, in particular on the North Atlantic atmospheric circulation and climate over Europe. We focus on the winter season (December-January-February), when air-sea contrasts and hence air-sea exchanges are the strongest. On this purpose, we perform and analyze numerical experiments, using the global atmospheric model ARPEGEv6 forced by observed daily SSTs at high resolution (1/4°). In the first part of this thesis we investigate two major MABL mechanisms responsible for the atmospheric response to the SST fronts over the Gulf Stream region. These mechanisms are the vertical mixing and the pressure adjustment mechanisms. Two sets of atmospheric simulations performed with two ARPEGEv6 configurations are considered: a low-resolution version (140 km) and a high resolution version (50 km). We analyze the response of the divergence of the near surface wind, because this is one of the main imprint of the MABL response to the SST front. While in most of previous studies monthly averages were used to study the response of the wind divergence to the SST fronts, our results highlight the key role of synoptic atmospheric perturbations on modulating the contribution of these two MABL mechanisms and hence on shaping the time-mean divergence of near surface wind. We show in particular that most of the winter-mean wind divergence simulated above the Gulf Stream region can be explained by the cyclonic anomalous circulation that occurs during extreme conditions of heat flux exchanges. The comparison of the results obtained with the high and low resolution versions of the atmospheric model shows that the impact of model resolution is small compared to internal climate variability and observational uncertainties in the Gulf Stream region. In order to better isolate the influence of the SST fronts on the atmosphere, we then performed idealized numerical experiments in which the SSTs are spatially filtered only over the Gulf Stream region. This "smooth" experiment is compared with a control experiment in which the atmospheric model is globally forced by very high resolution observed SSTs (1/12°). The comparison between these two experiments shows that SST fronts variability locally influence not only the MABL mechanisms, but also the free troposphere. In particular, the precipitation band over the Gulf Stream is decreased in the smooth experiment. A better resolved SST gradient in the Gulf Stream also yields changes in the storm-tracks and in the associated heat and humidity eddy transports. In particular, we find that the Gulf Stream SST front induces a northward shift of the eddy heat and humidity transports. This shift is consistent with a poleward shift of the jet stream. The jet response is maximum over the North Atlantic, but it is also noticeable over the Pacific basin. We show that together with the jet stream changes, weather regimes in the North Atlantic are also influenced by the SST fronts. As a result, the response of the large scale atmospheric circulation yields changes in temperature and precipitation over Europe, suggesting a non negligible influence of the Gulf Stream SST fronts downstream.
Le but de cette thèse est de comprendre le rôle des fronts de température de surface de l'océan (SST) dans les interactions océan-atmosphère sur la région du Gulf Stream (GS). Nous étudions la réponse de l'atmosphère aux fronts de SST localement, au sein de la couche limite atmosphérique marine (MABL), mais également dans la troposphère libre. Par ailleurs, nous quantifions l'impact des fronts de SST sur la circulation atmosphérique en Atlantique Nord et en Europe. Nous nous focalisons sur la saison d'hiver (Décembre-Janvier-Février), les contrastes de température entre l'océan et l'atmosphère étant les plus marqués durant cette saison, ce qui induit de forts échanges en termes de flux de chaleur turbulents. Dans cette optique, nous réalisons et analysons des expériences numériques basées sur le modèle atmosphérique global ARPEGEv6, forcé en surface par des données de SSTs observées à haute résolution (1/4°). Dans la première partie de cette thèse, nous étudions les deux mécanismes principaux proposés dans la littérature pour expliquer la réponse de l'atmosphère aux fronts de SST dans la région du Gulf Stream. Ces mécanismes sont ceux du mélange vertical et de l'ajustement de pression. Dans cette étude, nous utilisons deux ensembles de simulations réalisées avec deux configurations du modèle d'atmosphère ARPEGEv6 : une configuration basse résolution (140 km) et une configuration haute résolution (50 km). Nous étudions spécifiquement la réponse de la divergence du vent en surface, un prédicteur important de l'influence des fronts de SST sur la MABL. Là où les études antérieures utilisaient majoritairement des moyennes mensuelles pour étudier la réponse de la divergence du vent aux fronts de SST, nos résultats montrent le rôle clé des perturbations synoptiques atmosphériques pour moduler la contribution relative de chacun de ces deux mécanismes de la MABL, et pour générer de la divergence du vent de surface en hiver. Nous montrons plus particulièrement qu’une grande partie de la divergence du vent simulée en moyenne sur l’hiver est due aux épisodes cycloniques qui ont lieu au cours de situations extrêmes au-dessus de la région du GS. La comparaison des résultats entre la version haute et la version basse résolution du modèle atmosphérique, montre que l'impact de l'augmentation de la résolution du modèle est faible comparée à la variabilité interne climatique et aux incertitudes observationnelles. Afin de mieux isoler l'influence des fronts de SST sur l’atmosphère, nous avons réalisé des expériences idéalisées dans lesquelles les SSTs de la région du GS sont spatialement filtrées. Cette expérience « lissée » ("smooth") est comparée à une expérience de contrôle dans laquelle le même modèle d'atmosphère est forcé à l'échelle globale par des SSTs à très haute résolution (1/12°). La comparaison entre ces deux expériences montre que la variabilité liée à la zone de fronts de SST influence localement les mécanismes de la MABL, mais également la troposphère libre dans son ensemble. En particulier, la bande de précipitations sur le GS est atténuée dans l'expérience smooth. Un gradient de SST mieux résolu dans la région du GS affecte également les routes dépressionnaires et les transports de chaleur et d'humidité par les tourbillons atmosphériques. En particulier, on montre que les fronts de SST provoquent un décalage vers le nord des transports de chaleur et d'humidité par les tourbillons atmosphériques. Ceci est en accord avec un élargissement du courant jet. La réponse du jet la plus intense est située sur l'Atlantique Nord, mais est également visible sur le bassin Pacifique. On montre ensuite qu'en accord avec la réponse du courant jet, les régimes de temps en Atlantique Nord sont également influencés par la présence des fronts de SST [...].
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03667341 , version 1 (13-05-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03667341 , version 1

Citer

Victor Rousseau. Étude des interactions océan-atmosphère sur le Gulf Stream : apport de la haute résolution sur la représentation des mécanismes physiques et des impacts climatiques. Océan, Atmosphère. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2020. Français. ⟨NNT : 2020TOU30318⟩. ⟨tel-03667341⟩

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